CDMA Femtocell號碼資源分配研究

摘要：為了解決CDMA Femtocell大規(guī)模應用中遇到的MSC不能配置多個FAP，且與現(xiàn)有宏網(wǎng)絡難以互相切換的問題，對CDMA Femtocell號碼資源分配進行了研究，包括PN，小區(qū)標識，登記區(qū)，UATI，色碼等內(nèi)容，提出與現(xiàn)有宏蜂窩網(wǎng)絡不同的分配方案和建議。方案對現(xiàn)有宏蜂窩網(wǎng)絡的影響最小，而且易于實施，能夠節(jié)省運營商的投資和維護，促進CDMA Femtocell的商用。
關鍵詞：CDMA；Femtocell；FAP；PN；號碼分配

0 引言
    據(jù)全球Femtocell論壇2010年發(fā)布的數(shù)據(jù)，全球已有60余張Femtocell網(wǎng)絡。
CDMA制式的Femtocell近年來也呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢。2008年，美國Sprint公司以提升家庭用戶數(shù)據(jù)體驗為目標，推出了全球第一款基于CDMA制式的Femtocell，規(guī)模至今已超過20萬；2009年，Verizon公司為解決家庭覆蓋不足的問題也推出了CDMA Femtocell，規(guī)模已超過10萬。國內(nèi)，中國電信已于2009年完成了CMDA Fetmocell的試驗室測試工作，目前正在全國包括北京等6個?。羞M行試商用驗證。
    為了應對即將到來的CDMA Femtocell國內(nèi)規(guī)模商用，現(xiàn)階段對Femtocell應用的問題和難點進行分析和研究是非常有必要的。本文主要針對Femtocell號碼資源分配進行了研究，包括PN、小區(qū)標識、UATI分配等內(nèi)容。

1 網(wǎng)絡架構
    CDMA Femtocell網(wǎng)絡架構模型如圖1所示。

    圖中，F(xiàn)AP為Femtocell接入點，集成了BTS，BSC／PCF，以及AN的功能。FGW為Femtocell網(wǎng)關，SeGW為Femtocell安全網(wǎng)關，F(xiàn)MS為Femto cell管理系統(tǒng)設備，均為網(wǎng)絡側設備。
    HRPD及1X分組域中，F(xiàn)AP通過A接口接入網(wǎng)絡。1x電路域架構有兩種接入方式，一種通過SIP接口接入IMS域，一種是通過A接口接入電路域
MSC，即圖1中Fx1在不同接入方式下使用不同的接口。鑒于中國運營商沒有成熟的IMS網(wǎng)絡，本文對1x Femtocell電路域的研究僅基于通過A接口接入MSC的方式。

2 存在的問題
    FAP為用戶端設備，具備即插即用的特點。用戶購買FAP并與運營商簽約后，就可以自行安裝使用了。由于用戶有控制權，F(xiàn)emtocell系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是動態(tài)變化的，而且即使覆蓋范圍小，F(xiàn)AP數(shù)量也會非常寵大。這些特點使得Femtocell系統(tǒng)與原有宏蜂窩網(wǎng)絡有很多不同之處，并且做為一個新的系統(tǒng)，建設Femtocell網(wǎng)絡不應該對現(xiàn)有宏蜂窩網(wǎng)絡產(chǎn)生過多影響。
    因此，在應用Femtocell時，有以下主要問題：頻率使用問題，與宏網(wǎng)同頻或異頻時，如何減少兩網(wǎng)絡間的干擾；在部署專用頻率時，終端如何能及時發(fā)現(xiàn)異頻的Femtocell信號，以便進行正確地切換；由于很可能采用不同資費，對傳統(tǒng)終端如何提醒用戶進或出Femtocell區(qū)域；FAP如何獲取同步；支持與宏網(wǎng)絡間無縫切換，如何對Femtocell系統(tǒng)號碼進行分配，以及部署Femtocell系統(tǒng)后對宏網(wǎng)絡配置的影響等。
    本文主要針對上述號碼規(guī)劃問題進行研究，包括PN分配、1x系統(tǒng)的小區(qū)標識、LAC劃分、HRPD系統(tǒng)的色碼、UATI分配等問題。

3 號碼資源分配研究
3．1 PN分配
    FAP的數(shù)量眾多，而CDMA系統(tǒng)PN碼資源有限，F(xiàn)emtocell系統(tǒng)必須支持PN復用。
    Ferntocell系統(tǒng)與宏網(wǎng)絡間需要支持無縫切換。但實際上，根據(jù)CDMA規(guī)范，宏基站可下發(fā)的鄰區(qū)數(shù)目是有限的，不可能配置過多的Femto cell鄰區(qū)。而且由于數(shù)據(jù)是動態(tài)變化的，在宏網(wǎng)上實時配置Ferntocell鄰區(qū)信息基本是不可實現(xiàn)的。因此，建議Femtocell單獨進行PN規(guī)劃，由運營商劃分出少量的專用PN供Femtocell使用。
    在3GPP2中也有PN規(guī)劃的討論，但方案比較復雜，實施較困難。基于現(xiàn)有的標準，針對現(xiàn)有終端，研究認為，在實際的家庭場景應用時，家庭與家庭間以及樓層間的穿透損耗可達10～15 dB，對信號傳播影響較大。FAP發(fā)射功率較小，覆蓋范圍有限，并且家庭應用中，F(xiàn)AP間切換的情況也基本上可以不予考慮。因此，家庭應用的Femtocell PN規(guī)劃可以較簡化處理。
    Femtocell PN規(guī)劃中，由于相鄰兩個小區(qū)的PN不相同，基本就可以避免同PN混淆問題。由于覆蓋半徑比較小，Pilot_INC可以取值為1，不會造成相鄰PN干擾的問題。
    假設一個家庭應用的較極端場景：一幢高層樓房，每層有多排，每排有多戶，每戶均安裝了FAP，F(xiàn)AP覆蓋范圍10 m×10 m。取一處于中間位置的FAP，其上下左右前后都有其他FAP覆蓋，考慮其PN不能與相鄰FAP重復，則至少需要27個PN，如圖2所示。

    現(xiàn)有宏網(wǎng)絡中，Pilot_INC一般取值為3或4?？梢缘贸?，對家庭應用，宏網(wǎng)劃分出8～10個PN單獨給Femtocell系統(tǒng)使用，可以滿足Femto cell需求，對宏網(wǎng)的影響也很小。
    實際操作時，宏網(wǎng)絡應事先知曉Femtocell的專用PN劃分以及Pilot_INC信息，F(xiàn)emtocell系統(tǒng)也應知曉宏網(wǎng)絡的Pilot_INC信息，以方便PN_Offset判決以及Femtocell系統(tǒng)的自動PN規(guī)劃。自動PN規(guī)劃應盡量讓同PN的FAP間隔盡可能地大。
3．2 1x號碼分配
3．2．1 Cell ID
    1x系統(tǒng)小區(qū)標識Cell ID由16 b組成，前12 b表示Cell，后4 b表示Sector。在一個MSC下Cell ID是惟一的，一個MSC下最多可以攜帶65 535個CellID。一個FGW下可能有成千上萬個FAP，給每個FAP分配一個惟一的Cell ID是不現(xiàn)實的。而且為了盡量減少對現(xiàn)有網(wǎng)絡的影響，為Femtocell系統(tǒng)新增MSC也是不可實現(xiàn)的。因此，F(xiàn)emtocell需要支持CellID復用。
    Cell ID分配方法為由FGW實現(xiàn)Cell ID的匯聚。FGW下的各個FAP使用Cell ID或FAP ID做標識在FAP-FGW間使用，以區(qū)分FAP，如圖3中FAP CellID。MSC惟一識別的小區(qū)標識為FGW-MSC間CellID如圖3中FGW Cell ID。FGW中應保存一個小區(qū)標識映射表，將FGW Cell ID與FAP Cell ID相對應。FGW在收到FAP向MSC發(fā)送的IOS消息時，替換收到的消息中的FAP Cell ID信息為在MSC惟一識別的FGW Cell ID信息后，將消息轉發(fā)給MSC。FGW在收到MSC向FAP發(fā)送的IOS消息時，替換FGW Cell ID為FAP Cell ID，再將消息發(fā)送給FAP。這樣，從MSC和宏網(wǎng)的角度來看，F(xiàn)emtoc ell系統(tǒng)的Cell ID數(shù)目是有限的，對現(xiàn)網(wǎng)影響很小。
    實現(xiàn)該分配方法，同時還要求使用相同PN的FAP使用相同的FAP Cell ID，也就是使用相同F(xiàn)GWCell ID。并且，如果一個MSC下有多個FG W，兩個FGW可以共享PN，但不能共享Ceil ID。對于宏網(wǎng)BSC，需要由組網(wǎng)保證同一個Cell的相鄰關系中不出現(xiàn)兩個FGW的信息，即一個FGW對應一個BSC。
    1x Femtocell系統(tǒng)編號示例如圖3所示。

3．2．2 LAC
    LAC為位置區(qū)，在1X中尋呼時使用，為16 b字段。
    若FGW實現(xiàn)Cell ID替換，F(xiàn)AP的Cell ID與PN為一對一分配時，F(xiàn)GW下的PN只能在一個LAC下復用。一個FGW應只配置一個LAC。
3．2．3 Reg_Zone
    空口注冊區(qū)Reg_Zone為12 b，在空口傳遞。終端在不同的Reg_Zone間移動時會發(fā)起注冊登記。
    如果不需要在跨FAP時做AT注冊，則空口注冊區(qū)Reg_Zone配置范圍與LAC相同。
    如果需要在跨FAP時做注冊，則LAC下每個FAP的Reg_Zone可以設置為不同TOTAL_ZONES參數(shù)設置為1，則AT在FAP間移動時會發(fā)起注冊請求。好處是方便網(wǎng)絡定位到終端當前所處位置。
    雖然Reg_Zone資源較多，但實際應用中，可以簡便操作，不單獨做Reg_Zone的規(guī)劃，而將Reg_Zone與PN按一對一同時規(guī)劃，不同的PN對應不同的Reg_Zone，同樣滿足終端跨FAP時發(fā)起注冊。
3．3 HRPD號碼分配
3．3．1 Color Code
    HRPD系統(tǒng)色碼Color Code為8 b，同樣存在復用問題。
    在一個FGW下，如果配置多個Color Code且相鄰FAP的Color Code不重用，好處是對空閑態(tài)切換有利，但會帶來Color Code規(guī)劃復雜的問題，而且對FAP，AN配置相鄰Color Code的要求都比較高，且難以實現(xiàn)。如果配置多個Color Code且大部分相鄰Color Code相同，則對切換無益，還會帶來宏網(wǎng)配置的難度。
    因此，一個FGW下所有FAP應配置相同的Color Code。FAP可以從FMS獲得相鄰AN的Color Code信息。組網(wǎng)時，宏網(wǎng)絡AN的相鄰Color Code應只需配置到FGW一級，操作簡便。
3．3．2 UATI
    宏網(wǎng)絡A13切換時，由目標AN向源AN發(fā)起，目標AN根據(jù)UATI中的Color Code信息識別出源AN。
    Femtocell中，F(xiàn)emtocell向宏網(wǎng)絡發(fā)起A13切換時，宏網(wǎng)絡AN根據(jù)Color Code識別出切換源為FGW，將消息發(fā)送給FGW。FGW收到消息后需要再識別出準確的切換源FAP。
    研究可知，由于反向MAC頭中帶CC+UATI024，F(xiàn)GW可以考慮從UATI的格式中來區(qū)分FAP。

    具體方法為：將UATI024分為兩個部分，其中高m比特用于區(qū)分一個FGW內(nèi)的FAP，低(24-m)b用于區(qū)分一個FAP內(nèi)的終端。如圖4所示。高m比特由FGW為下屬的FAP統(tǒng)一分配。低(24-m)b由FAP自行分配。FAP一般支持用戶數(shù)為16，m若取值為20，則FGW下可支持百萬個FAP。
3．3．3 Sector ID
    由于UATI的分配、Session信息的存儲是由各個FAP完成的，終端在FAP間移動時，必須要發(fā)起UATI的更新，因此，每個FAP的Subnet需要規(guī)劃為不同的。
    在子網(wǎng)地址足夠的情況下，子網(wǎng)掩碼(Subnet Mask)設置為104，每個FAP的Sector ID高104位不同，但一個FGW下的FAP高104都對應相同的Color Code。如果子網(wǎng)地址不足，F(xiàn)AP的子網(wǎng)掩碼設置為大于104，以擴充子網(wǎng)數(shù)量。此時，一個FGW下的各個FAP的Sector ID高104位可以相同，對應Color Code也相同。此時，對Sector ID的分配參考圖5，設SubnetMask為(104+m)b，則FGW通過Sector ID后024位中的高m位可以區(qū)分出FAP，剩余的(24-m)b同樣用于區(qū)分終端。
    HRPD Femtocell系統(tǒng)編號示例如圖5所示。

4 結語
    本文從Femtocell的技術現(xiàn)狀出發(fā)，詳細分析了Femtocell系統(tǒng)在實際大規(guī)模部署中號碼資源分配問題，研究并提出一套簡單可行的號碼分配方案，為CDMA運營商及設備商部署Femtocell網(wǎng)絡提供支持和建議，具有現(xiàn)實意義。